GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ MAKİNA

GAZİ ÜNİVERSİTESİ
FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ
MAKİNA MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI
MM 598 SEMİNER DERSİ
Tez Danışmanı : Prof. Dr. Nuri YÜCEL
Tez Öğrencisi : İzzet MOLA
Tez Konusu
: Bir Otomobil Egzozundaki Akış ve Isı Transferinin Sayısal ve Deneysel Olarak İncelenmesi
ÇALIŞMANIN AMACI
Bu tez çalışmasında, üretimi gerçekleştirilmekte olan bir egzoz sistemi üzerinde sıcaklık dağılımının ve ısı
transferi miktarının, ticari Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) yazılımı FLUENT ile sayısal
simülasyonunun gerçekleştirilmesi ve elde edilen simülasyon sonuçlarının, oluşturulan deneysel model
üzerinden elde edilecek tutarlı deneysel sonuçlar ile uyumlu hale getirilmesi amaçlanmaktadır. Bu
kapsamda üretici bir firma ile ortak SANTEZ projesi hazırlanması düşünülmektedir.
KAPSAM
Akışkan ve ısı transferi problemlerinde kullanılan temel denklemler: Kütlenin Korunumu, Enerjinin
Korunumu, Momentumun Korunumu, Türbülans denklemleri’dir. Bu denklemler birkaç boyutsuz sayı ile
karakterize edilir. Bu parametrelerin en önemlileri: Nusselt, Biot, Reynold ve Prandtl sayılarıdır. Egzoz
borusundaki akış kararsız ve sıkıştırılabilirdir. Egzoz valfi açılırken, yüksek hız jetleri yüksek ısı transferi
oranları ile belirli bölgelerde resirkülasyon alanları oluşturur. Egzoz valfi tam olarak açıldığı zaman ise
akış türbülanslı bir boru akışına dönüşür. Egzoz valfi kapanırken dar bir gaz jeti resirkülasyon alanları
oluşturur, böylece tekrar ısı transferini etkileyen bir süreç oluşur. Valfin kapalı olduğu süre zarfında, akış
hızı sıfıra yaklaşır ve buna bağlı olarak ısı transferi oranı düşer. Egzoz sisteminin girişinde gerçekleşen söz
konusu bu dört durumun oluşturduğu türbülansın çözümü, kullanılacak olan FLUENT yazılımında mevcut
olan, Navier-Stokes denklemlerini baz alan matematiksel türetmeler ile boyutsal argüman ve ampirik
girdilere dayanan modeller ile sağlanacaktır. Sistemin ilerleyen kısımlarında, boru akış korelasyonu
genellikle motorun çalışma döngüsü sırasında egzoz gazının ortalama akış oranına göre uygulanır. Egzoz
gazlarından egzoz borusunun iç duvarına olan ısı transferi öncelikle zorlanmış taşınıma ve egzoz akış
özellikleri ile boru geometrisine bağlıdır.
LİTERATÜR
Chan ve Hoang [1] yaptıkları çalışmada, düşük sıcaklık koşullarında çalışmaya başlatılan bir motora bağlı
egzoz sistemindeki ısı transferini ve kimyasal reaksiyonları hem deneysel hem de sayısal olarak
incelemişlerdir. Katalitik konvertörde, motorun düşük sıcaklıkta başlamasının hemen ardından suyun
buharlaşması ile yoğuşma sıcaklığı ve zehirli karbon monoksit ile hidrokarbonların, karbondioksit ve suya
dönüşümleri deneysel verilerle belirlenmiştir. Çalışma sonucunda, egzoz gazı sıcaklığı egzoz hattı boyunca
ve katalizör içerisinde hem uzaysal hem de zamansal olarak ortaya konulmuştur. Sayısal ile deneysel
verilerin tatmin edici olması, yapılan çalışmanın nitelik ve nicelik bakımından tutarlı olduğunu
göstermiştir. Koschan ve arkadaşları [2], kullanılmakta olan otomobil parçalarının termal modellemesini ve
görüntülenmesini, ters mühendislik uygulaması ile sayısal ve deneysel olarak incelemişlerdir. Söz konusu
otomobil parçaları, Dodge RAM 3500 van, Ford Taurus ve Toyota Corolla marka otomobillerin egzoz hattı
ve susturucu kısımlarından oluşmaktadır. Çalışmanın deneysel bölümü iki kısımdan oluşmaktadır. İlk
kısımda, Dodge RAM 3500 van’ın susturucusunun ile Ford Taurus marka aracın egzoz hattının, Indigo
Omega marka termal kamera ile termal modellemesi yapılmıştır. Deneyin ikinci kısmında ise, bir Raytek
kızılötesi termometre kullanılarak, Dodge RAM 3500 van, Ford Taurus ve Toyota Corolla marka araçların
egzoz sisteminde bulunan susturucu kısımlarının sıcaklık değerleri belirlenmiştir. Çalışmanın sayısal
bölümünde, tersine mühendislik kapsamında, üç boyutlu lazer tarayıcı kullanılarak söz edilen parçaların
geometrisi bilgisayar ortamına aktarılmış, Rhinoceros 3D yazılımı kullanılarak sanal modelleri
oluşturulmuştur. Son olarak MuSES (Multi-Service Elektro-optic Signature) yazılımı yardımıyla ve
deneysel veriler kullanılarak sayısal simülasyon elde edilmiştir. Kandylas ve
Stamatelos [3]
çalışmalarında, ısı transferi hesabına dayanan egzoz sistemi tasarımını deneysel ve sayısal olarak
incelemişlerdir. Farklı silindir hacimlerinde, egzoz gazının ve egzoz hattı duvar sıcaklığının araç hızına
göre değişimi ölçülmüştür. Ayrıca farklı egzoz sistemlerinde, egzoz gazı sıcaklığının zamana bağlı
değişimi NEDC (New European Drive Cycle) egzoz emisyon testi ile ölçülmüş, sayısal ve deneysel
sonuçlar tutarlı çıkmıştır. Çalışma, egzoz manifoldu, geometrisi, boru kalınlığı vb. parametrelerin
tasarımında yol gösterici bir özellik taşımaktadır. Haworth ve Dobson [4] yaptıkları çalışmada, içten
yanmalı bir motorun egzoz sisteminde değişken sıcaklıklardaki suyun yoğunlaşması ve buharlaşmasının
etkisini deneysel ve sayısal olarak incelemişlerdir. Deneysel bölümde, 1.61 Volkswagen Bora marka
otomobil kullanılmıştır. Aracın egzoz sisteminin çeşitli bölümlerine yerleştirilen sensörler kullanılarak
çeşitli ölçümler yapılmıştır. Sayısal bölümde kütle, enerji ve momentum korunum denklemleri
hesaplanmış, Runge-Kutta çözüm metodu ile çözüme ulaşılmıştır. Çalışmanın sonunda, tutarlı deneysel ve
sayısal sonuçlarla egzoz gazı sıcaklığı hesaplanmış, nem etkisinin göz önünde bulundurulması gerektiği
sonucu ortaya konmuştur. Baysal [5], eşmerkezli boru tipli ısı değiştiricilerinde deneysel ve sayısal ısı
transferi sonuçlarının karşılaştırılmasını incelemiş, çalışma sonucunda FLUENT yazılımıyla ve çeşitli
ampirik ifadelerle (Dittus-Boelter, Sieder-Tate, Petukhov) elde edilen sayısal sonuçlar, deneysel sonuçlar
uyumluluk göstermiştir.
ÇALIŞMA YÖNTEMİ
Örnek bir egzoz hattı geometrisi katı modeli bilgisayar ortamına aktarılacak ve lisanslı FLUENT yazılımı
kullanılarak, motor çıkış şartları göz önüne alınıp, egzoz sistemi içerisindeki akış sayısal olarak simüle
edilecektir. Bu çalışmada, sıcak egzoz gazının, egzoz hattı boyunca araç şasisinin alt bölgelerinde
oluşturacağı yüksek sıcaklık bölgelerinin tespiti önem arz etmektedir. Üreticilerden alınan bilgilere gore,
bu yüksek sıcaklık bölgelerinde ısı kalkanının kullanılma gereksinimi oluşmaktadır. Dolayısı ile bu
kalkanın kullanılıp kullanılmaması, kullanılacak ise en uygun bölgenin nerede olacağı düşüncesi önem
kazanmaktadır. Çalışmanın sayısal bölümünde, farklı akış modelleri ve ağ yapıları kullanılarak egzoz
sistemini en iyi şekilde temsil edecek modeller oluşturulmaya çalışılacaktır. Ağ yapısı ve iterasyon
optimizasyonları ile sayısal çözümün güvenilirliğinin arttırılması hedeflenmektedir. Sayısal
simülasyonlarda kullanılacak olan sınır şartları, mevcut üreticiden alınacak olan gerçekçi deneysel
sonuçlardan oluşacaktır. Deneysel model, mevcut geometrinin, tasarlanacak olan deney yatağına
montajlanması ile gerçekleştirilecektir. Deneysel çalışmada temel olarak önem arz eden bölgelerde pitot
tüpleri yardımı ile hız ve fark basınç, ısıl çiftler kullanılarak sıcaklık değerleri ölçülecektir.
SONUÇ
Planlanan bu tez çalışmasının sonunda, elde edilecek bilgisayar simülasyonu ve deney sonuçları ile
üreticinin arzu ettiği egzoz hattı, geometrisi ve gerekli ise ısı kalkanı ihtiyaçları optimum düzeyde
belirlenmeye çalışılacaktır.
KAYNAKLAR
1.
2.
3.
4.
5.
Chan, S. H., Hoang, D. L.‘Heat transfer and chemical reactions in exhaust system of a cold-start', International Journal of
Heat and Mass Transfer, Vol: 42, Issue 22, Pages 4165-4183, 1999.
Koschan, M., Govindasamy, P., Sukumar, s., Page, D., Abidi, M. ' Thermal Modeling and Imaging of As-built Vehicle
Components', SAE World Congress, SAE SP-2040, Detroit, SAE Technical Paper 2006-01-1167.
Kandylas, I.P., Stamatelos, A.M. ‘Engine exhaust system design based on heat transfer computation’, Energy Conversion
& Management, Vol: 40, Issue 10, Pages 1057-1072, 1999.
Haworth L.C., Dobson R. ‘Modelling the effects of condensation and evaporation of water on the transient temperatures
inside the Exhaust system of an internal combustion engine’, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers,
Part D: Journal of Automobile Engineering, Vol: 225, Pages 328-340, 2011.
Baysal, E., ‘Comparison of Experimental and Numerical Heat Transfer Results in Concentric Pipe Heat Exchangers’
Journal of Polytechnic, Vol: 11, Issue 4, Pages 345-352, 2008.